22HB1600, Development of high piezoelectric coefficient composite and ultra-low power multilayered piezoelectric sensor/actuator multi-functional module,
Hye Jin Kim
Abstract
※ 연구개발 목표 및 내용 ◎ 최종 목표 o 고압전성 복합소재 및 초저전력 적층형 압전 센서/액추에이터 복합모듈 기술 개발 - 고압전성 복합 소재를 위한 압전 powder 물성 및 복합 매트릭스 소재 개발 - 저전압 구동 압전 적층 소재 및 내부전극 소재 개발 - 고출력 멀티몰프 적층 압전구조 설계 및 센서/액추에이터 핵심 기술 개발 - 150 mW급 저전력 센서 및 액추에이터 복합 모듈 개발 - 진동/터치 센싱 패턴 분석 및 신호처리/구동 회로 설계 기술 개발 - 통합형 센서/액추에이터 제어 지능형 알고리즘 개발
o End Product - 고압전성 유연 복합소재 기반 압력센서 (HW) - 적층 압전 세라믹 기반 음향/진동 액추에이터 (HW) - 압전 센서/액추에이터 복합모듈 (HW) - 통합형 센서/액추에이터 제어 지능형 알고리즘 (SW)
◎ 전체 내용 ① 고압전성 유연복합 소재 및 고민감 압전센서 기술 개발 - 고압전성 유연 복합소재 배합 및 공정 기술 - 고민감 압전센서 단위소자 설계 및 박막 패터닝 기술 - 고균일도 유연 압전센서 어레이 공정 기술 - 유연 압전센서 저잡음 고감도 신호처리 및 알고리즘 기술
② 적층형 압전 세라믹 소재 및 고출력/고변위 압전 액추에이터 기술 개발 - 고성능 Soft계 압전체 조성 최적화 및 전극소재 국산화 기술 - 고변위/고출력 적층 압전 세라믹 구조 설계 및 공정 최적화 기술 - 적층형 세라믹 기반 진동 액추에이터 단위소자 설계 및 공정기술 - 적층 세라믹 기반 음향 액추에이터 단위소자 구조 설계 및 공정 개발 - 음향/진동 액추에이터 어레이 구동회로 및 패턴생성 알고리즘 기술
③ 압전 센서/액추에이터 복합모듈 제작 및 제어 알고리즘 개발 - 압전 복합모듈을 위한 센서 어레이 구조 설계 및 성능 최적화 기술 - 복합모듈을 위한 압전 진동/음향 액추에이터 설계 및 제작 기술 - 센서 및 액추에이터 어레이 통합 신호처리 기술 - 복합모듈 구동회로 보정 설계 및 알고리즘 구현 검증
※ 연구개발성과 □ 정량적 목표 달성 수준 ● 추진목표 ㅇ 고압전성 복합소재 기술 개발 - 목표: 압전상수 100pC/N 이상 ● 달성내용 ㅇ 세계최고성능 압전성을 갖는 복합소재 기술 확보 - 압전상수 103pC/N 달성
● 추진목표 ㅇ 고민감 압전센서 기술 개발 - 목표: 센서 민감도 500mV/N 이상 ● 달성내용 ㅇ 대면적 유연 압전센서 어레이 미세 패터닝 공정 기술 확보 및 고민감 감지 특성 확보 - 센서 민감도 1048mV/N 달성
● 추진목표 ㅇ 저전압 구동 압전 세라믹 소자 개발 - 목표: 구동전압 8Vrms 이하 ● 달성내용 ㅇ 저전압 구동을 위한 멀티몰프형 적층 압전 세라믹 액추에이터 소자 기술 확보 - 구동전압 8Vrms 달성
● 추진목표 ㅇ 고출력 압전 음향 액추에이터 개발 - 목표: 출력음압 87dB 이상 ● 달성내용 ㅇ 기존 스피커 대체 가능한 수준의 출력음압 특성을 갖는 압전 음향 액추에이터 기술 확보 - 출력음압 95.11dB 달성
● 추진목표 ㅇ 고출력 압전 진동(햅틱) 액추에이터 개발 - 목표: 진동가속도 0.6G 이상 ● 달성내용 ㅇ 인간의 감각수용체 역치값(~0.5G) 이상의 진동 전달이 가능한 액추에이터 소자 기술 확보 - 진동가속도 0.894G 달성 (bare) - 진동가속도 134G 달성 (w/ 진동 증폭 구조체)
● 추진목표 ㅇ 촉질감 진동패턴 종류 구현 - 목표: 진동패턴 종류 4종 이상 ● 달성내용 ㅇ 촉질감 수집 데이터 기반의 렌더링 알고리즘 개발로 다양한 복합 촉질감 패턴 구현 기술 확보 - 진동패턴 종류 5종 달성
● 추진목표 ㅇ 저전력 음향/진동 액추에이터 개발 - 목표: 소비전력 150mW 이하 ● 달성내용 ㅇ 압전 음향/진동 액추에이터 소자의 저전력 특성 확보 - 소비전력(음향/진동) 116.46mW/120.86mW 달성
● 추진목표 ㅇ 저지연 응답시간 회로 기술 개발 - 목표: 응답시간 10msec 이하 ● 달성내용 ㅇ 세계최고수준의 저지연 압전 센서-액추에이터 연동 텔레햅틱 기술 확보 - 응답시간 1.55msec 달성
□ 정량적 연구개발 성과
□ 정성적 연구개발 성과 ◦ 고압전성 복합소재의 국산화를 위한 압전소재 공정 확립 및 제작 환경 구축 ◦ 저전력화 및 복합기능 구현이 가능한 핵심 압전 소재-소자-부품 기술 확보 ◦ 압력분포 모니터링 및 음향/진동(햅틱) 피드백이 가능한 압전 복합모듈 세계최초 개발 ◦ 센서/액추에이터 복합모듈, 촉질감 분류 기술, 텔레햅틱 기술 등 9종의 시제품 개발을 통해 3년 연속 나노코리아 전시회 시연 및 기술홍보 성과 달성 ◦ 개발된 압전 액추에이터의 국산화 및 응용분야 확장을 위한 고신뢰성(고온고습 동작, 열충격, 고온고습 방치, 저온방치, 낙하) 확보
※ 연구개발성과 (기술적 효과) o 유연 압전 복합체 및 멀티몰프 압전 적층 소자, 초저전력 센서/액추에이터 복합모듈 등 일본수입에 의존 중인 압전 소재-소자-부품 핵심기술을 조기 국산화함으로써 당면한 기술적 위기를 극복하고 ICT 국가기술 경쟁력 강화에 기여 (대일의존도 30% 미만 달성) o 초저전력 센서, 액추에이터 복합모듈 기술과 신호처리 및 구동 알고리즘 기술의 융합을 통해 자동차용 HMI(Human Machine Interface) 햅틱 피드백 시스템, 모바일 디바이스 인터페이스, AR/VR 기기에 탑재되는 다중감각 입출력 모듈과 같은 몰입감과 안전성이 개선된 차세대 인터페이스 개발을 가속, 시장 선점에 기여
(경제적, 산업적 효과) o 압전소재 국산화 및 첨단부품 개발로 압전 센서, 액추에이터, 트랜스듀서 등 ‘24년 484억 불 규모의 전세계 압전부품 시장진입 및 매출 증대가 기대되며, 특히 압전 센서/액추에이터 복합모듈의 활용이 크게 예상되는 스마트워치, 태블릿 등 웨어러블 기기는 매년 2배 이상의 시장 성장을 하고 있어 매우 큰 시장 파급효과가 있을 것으로 전망 o 다중감각 입출력 디바이스 및 구동 알고리즘 개발로 ’25년 250억 불 규모, 연평균 16%로 성장하고 있는 전세계 햅틱 인터페이스 시장진입이 예상되며, 자동차, 가전, 모바일 쇼핑 등 다양한 분야에서 새로운 차원의 몰입감과 감각 피드백을 제공하는 차세대 인터페이스 시장을 새롭게 창출하는 파급효과가 있을 것으로 전망
(사회적 효과) o 유연 압전소재 기반 센서 및 액추에이터 핵심 부품모듈 개발로, 고부가가치의 다양한 제품군 개발이 가능하며 국민 삶의 질 향상 및 세계적 경쟁력 유지에 공헌할 것으로 기대 o 다중감각 입출력 디바이스 개발을 위한 원천기술 확보를 통해, 더욱 안전하고(차량용), 몰임감이 극대화(소비/물류 비용 최소화)된 차세대 인터페이스 개발이 가능하여 사회 비용 절감에 기여할 것으로 기대
(출처 : 요약문 4p)
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J. Kim et. al, "Trends in Lightweight Kernel for Many core Based High-Performance Computing", Electronics and Telecommunications Trends. Vol. 32, No. 4, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
J. Sim et.al, “the Fourth Industrial Revolution and ICT – IDX Strategy for leading the Fourth Industrial Revolution”, ETRI Insight, 2017, KOGL Type 4: Source Indication + Commercial Use Prohibition + Change Prohibition
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